Die
Erfindung betrifft eine Gelenkkonstruktion zum drehbaren Lagern
einer Spiegelfläche
einer Mikrospiegelvorrichtung, mit der eine Strahlabtastung vorgenommen
wird.The
The invention relates to a hinge construction for rotatable bearings
a mirror surface
a micromirror device with which a beam scan is made
becomes.
Mikrospiegelvorrichtungen
finden weitläufige Anwendung
in verschiedenen technischen Gebieten, wie in zu Kommunikationszwecken
eingesetzten optischen Schaltern, Messinstrumenten, Abtastgeräten etc.
Beispielsweise ist in einer Mikrospiegelvorrichtung vom Kapazitätstyp eine
Spiegelfläche,
die mit einem auf sie fallenden Strahl eine Abtastung vornimmt,
mit einer elastischen Gelenkkonstruktion drehbar gelagert, wobei
auf einem unter der Spiegelfläche
befindlichen Substrat mehrere Elektroden angeordnet sind. Indem
Spannung an eine geeignete Elektrode angelegt wird, tritt zwischen
dieser Elektrode und der Spiegelfläche eine elektrostatische Anziehung
auf, durch welche die Spiegelfläche
in eine gewünschte
Richtung gekippt wird. In den vergangenen Jahren ist es erforderlich
geworden, den Strahlabtastbereich von Mikrospiegelvorrichtungen
aufzuweiten, indem die Spiegelfläche
um einen größeren Kippwinkel
bewegt wird. Aus diesem Grund muss die Federleistung der Gelenkkonstruktion
verbessert werden, d. h. es muss dafür gesorgt werden, dass sich
die Gelenkkonstruktion mit höherer
Flexibilität biegt
oder verwindet. Zu diesem Zweck wurden in jüngerer Vergangenheit nicht
nur einfache stangenartige Gelenkkonstruktionen, sondern auch andere Arten
von Gelenkkonstruktionen vorgeschlagen, wie sie beispielseise in
der japanischen Patentveröffentlichung JP 2003-29172 A1 ,
im Folgenden als Druckschrift 1 bezeichnet, beschrieben sind.Micromirror devices are widely used in various technical fields, such as optical switches, measuring instruments, scanning devices, etc. used for communication purposes. For example, in a capacitance-type micromirror device, a mirror surface which scans with a beam incident thereon is rotatably supported by an elastic hinge construction. wherein a plurality of electrodes are arranged on a substrate located below the mirror surface. By applying voltage to a suitable electrode, an electrostatic attraction occurs between this electrode and the mirror surface, by which the mirror surface is tilted in a desired direction. In recent years, it has become necessary to widen the beam scanning range of micro-mirror devices by moving the mirror surface by a larger tilt angle. For this reason, the spring performance of the joint construction must be improved, ie it must be ensured that the joint construction bends or twists with greater flexibility. For this purpose, not only simple rod-like joint constructions but also other types of joint constructions have recently been proposed, as exemplified in Japanese Patent Publication JP 2003-29172 A1 , referred to below as document 1, are described.
Eine
Untersuchung herkömmlicher
Gelenkkonstruktionen zum Beispiel unter Anwendung der Methode der
finiten Elemente ergab, dass sich die Federleistung umgekehrt proportional
zur Größe der Gelenkkonstruktion ändert. Beispielsweise
muss in einer in der Druckschrift 1 beschriebenen Gelenkkonstruktion,
die durch ein Material, das abwechselnd in Richtungen senkrecht
zu einer Achse gefaltet ist, gebildet ist und als sogenannte kontinuierlich
z-gefaltete Gelenkkonstruktion bezeichnet wird, die in Richtung
senkrecht zur Drehachse der Spiegelfläche gemessene Abmessung der
Gelenkkonstruktion vergrößert werden,
um die Federleistung zu verbessern. Jedoch kann eine zu große Bemessung
der Gelenkkonstruktion dazu führen,
dass die Festigkeit der gesamten Spiegelschicht, in der die Spiegelfläche ausgebildet
ist, abnimmt.A
Examination of conventional
Articulated constructions, for example, using the method of
Finite elements revealed that the spring performance is inversely proportional
changes to the size of the joint construction. For example
must in a hinge construction described in the publication 1,
passing through a material that is alternating in directions perpendicular
is folded to an axis, is formed and as so-called continuous
Z-folded hinge construction is called, in the direction
dimension measured perpendicular to the axis of rotation of the mirror surface
Be increased joint construction,
to improve the spring performance. However, too big a design can
cause the joint construction
that strength of the entire mirror layer in which the mirror surface is formed
is, decreases.
Aus
der DE 42 29 507 C2 ist
eine Gelenkkonstruktion zum drehbaren Lagern einer Spiegelfläche einer
Mikrospiegelvorrichtung bekannt, welche die Spiegelfläche zur
Strahlabtastung um eine Achse dreht. Die Gelenkkonstruktion besitzt
ein bewegliches Flachteil, das über
einem Stator angeordnet ist. Das Flachteil wird mittels spezieller
Federanordnungen über
dem Stator gehalten.From the DE 42 29 507 C2 For example, there is known a hinge construction for rotatably supporting a mirror surface of a micromirror device which rotates the mirror surface about an axis for beam scanning. The hinge construction has a movable flat part which is arranged above a stator. The flat part is held by means of special spring arrangements on the stator.
In
der EP 1 223 453 A2 ist
eine Mikrospiegelvorrichtung mit einer Spiegelfläche beschrieben, die über eine
Gelenkkonstruktion bewegt wird. Die Gelenkkonstruktion weist Torsionsfedern
auf, welche die Spiegelfläche,
die durch eine von einer Elektrodenanordnung ausgeübte elektrostatische
Kraft bewegt wird, gelenkig halten und eine Rückstellkraft auf die Spiegelfläche ausüben.In the EP 1 223 453 A2 a micromirror device is described with a mirror surface that is moved over a hinge construction. The hinge construction has torsion springs which articulate the mirror surface, which is moved by an electrostatic force exerted by an electrode assembly, and exert a restoring force on the mirror surface.
Eine
entsprechende Anordnung ist auch aus der US 6 431 714 B1 bekannt.
Die dort beschriebene Mikrospiegelvorrichtung weist ebenfalls eine
Spiegelfläche
auf, die über
mehrere Torsionsfedern gelenkig gehalten ist.An appropriate arrangement is also from the US Pat. No. 6,431,714 B1 known. The micromirror device described there likewise has a mirror surface, which is held in an articulated manner via a plurality of torsion springs.
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Gelenkkonstruktion zum drehbaren Lagern
einer Spiegelfläche
einer zur Strahlabtastung vorgesehenen Mikrospiegelvorrichtung anzugeben,
die bei kleiner Baugröße eine
hohe Federleistung erzielt.task
The invention is a joint construction for rotatable bearings
a mirror surface
to provide a beam scanning micromirror device,
the small size one
achieved high spring performance.
Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The
Invention solves
this task through the objects
the independent one
Claims.
Advantageous developments are specified in the subclaims.
Aus
dem Vergleich einer mit erfindungsgemäßen Gelenkkonstruktionen ausgestatteten
Mikrospiegelvorrichtung und einer mit herkömmlichen, zum Beispiel in Druckschrift
1 beschriebenen Gelenkkonstruktionen ausgestatteten Mikrospiegelvorrichtung
unter Anwendung der Methode der finiten Elemente und der Ersatzschaltungsmethode
ergaben sich folgende Ergebnisse. Wurde eine vorgeschrie bene Spannung
an Mikrospiegelvorrichtungen gleicher Abmessungen angelegt, so konnte
die Mikrospiegelvorrichtung mit den erfindungsgemäßen Gelenkkonstruktionen
die Spiegelfläche
um einen größeren Winkel
kippen. Um mit einer vorgeschriebenen, an die Elektrode angelegten
Spannung einen vorgeschriebenen Kippwinkel der Spiegelfläche zu erhalten,
benötigte
die herkömmliche
Gelenkkonstruktion eine größere Abmessung
als die erfindungsgemäße Gelenkkonstruktion.Out
the comparison of equipped with a joint structures according to the invention
Micromirror device and one with conventional, for example in writing
1 described micromirror device equipped micromirror device
using the finite element method and the equivalent circuit method
the following results were obtained. Became a prescribed tension
applied to micromirror devices of the same dimensions, so could
the micromirror device with the joint structures according to the invention
the mirror surface
at a greater angle
tilt. To use with a prescribed, applied to the electrode
Tension to get a prescribed tilt angle of the mirror surface
needed
the conventional one
Joint construction a larger dimension
as the joint construction according to the invention.
Die
Vergleichsergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäße Gelenkkonstruktion
bei kleiner Baugröße eine
höhere
Federleistung als die herkömmliche
Gelenkkonstruktion erreicht. Die erfindungsgemäße Gelenkkonstruktion kann
deshalb flexibler gebogen oder verdreht werden.The
Comparison results show that the joint construction according to the invention
with small size one
higher
Spring performance than the conventional one
Articulated construction achieved. The joint construction according to the invention can
therefore more flexible bent or twisted.
Die
Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin
zeigen:The
The invention will be explained in more detail below with reference to the figures. In this
demonstrate:
1 eine
perspektivische Ansicht, die den Gesamtaufbau einer Mikrospiegelvorrichtung
nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt, 1 a perspective view of the Overall structure of a micromirror device according to an embodiment of the invention shows
2 eine
perspektivische Ansicht, welche die Bestandteile der Mikrospiegelvorrichtung
im auseinandergenommenen Zustand zeigt, 2 a perspective view showing the components of the micromirror device in the disassembled state,
3 eine
vergrößerte Draufsicht
auf eine Spiegelschicht der Mikrospiegelvorrichtung, 3 an enlarged plan view of a mirror layer of the micromirror device,
4 eine
vergrößerte Ansicht,
die den Gesamtaufbau der Gelenkkonstruktion in dem Ausführungsbeispiel
zeigt, 4 an enlarged view showing the overall structure of the hinge construction in the embodiment,
5A eine
Querschnittsansicht eines oberen Substrats der in 2 gezeigten
Mikrospiegelvorrichtung längs
der diagonalen Linie A-A, 5A a cross-sectional view of an upper substrate of in 2 shown micromirror device along the diagonal line AA,
5B eine
Unteransicht auf das obere Substrat von der Seite der Spiegelschicht
her betrachtet, 5B a bottom view of the upper substrate viewed from the mirror layer side,
5C eine
Draufsicht auf das obere Substrat von der Lichteintrittsseite her
betrachtet, 5C a top view of the upper substrate viewed from the light entry side,
6A und 6B Querschnittsansichten, die
das Funktionsprinzip der Mikrospiegelvorrichtung erläutern, 6A and 6B Cross-sectional views explaining the operating principle of the micromirror device,
7 einen
Graphen, der das Betriebsverhalten der Mikrospiegelvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
im Vergleich zu einer anderen Mikrospiegelvorrichtung zeigt, 7 a graph showing the performance of the micromirror device according to embodiment in comparison with another micromirror device,
8 einen
Graphen, der das Betriebsverhalten der Mikrospiegelvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
im Vergleich zu einer anderen Mikrospiegelvorrichtung zeigt, die
Gelenkkonstruktionen mit anderen Abmessungen aufweist, 8th a graph showing the performance of the micromirror device according to embodiment in comparison with another micromirror device having joint structures with other dimensions,
9 eine
schematische Darstellung einer Abwandlung der erfindungsgemäßen Gelenkkonstruktion,
und 9 a schematic representation of a modification of the joint construction according to the invention, and
10 eine
schematische Darstellung einer weiteren Abwandlung der erfindungsgemäßen Gelenkkonstruktion. 10 a schematic representation of a further modification of the joint construction according to the invention.
Unter
Bezugnahme auf die Figuren wird im Folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail erläutert. 1 ist
eine perspektivische Ansicht, die den Gesamtaufbau einer Mikrospiegelvorrichtung 10 zeigt,
die eine erfindungsgemäße Gelenkkonstruktion
enthält. 2 ist
eine perspektivische Ansicht, welche die Bestandteile der Mikrospiegelvorrichtung 10 im
auseinandergenommenen Zustand zeigt. Die Mikrospiegelvorrichtung
nach den 1 und 2 ist eine
biaxiale Vorrichtung, die den Spiegel um zwei Achsen drehen kann,
nämlich um
eine erste Achse (im Folgenden als X-Achse bezeichnet), die in eine
erste Richtung (x-Richtung) weist, und eine zweite Achse (im Folgenden
als Y-Achse bezeichnet), die in eine zur ersten Richtung senkrechte
zweite Richtung (y-Richtung)
weist.With reference to the figures, a preferred embodiment of the invention will be explained in detail below. 1 Fig. 15 is a perspective view showing the overall structure of a micromirror device 10 shows that contains a hinge construction according to the invention. 2 is a perspective view showing the components of the micromirror device 10 in disassembled state shows. The micromirror device according to 1 and 2 is a biaxial device capable of rotating the mirror about two axes, namely, a first axis (hereinafter referred to as X-axis) facing in a first direction (x-direction) and a second axis (hereinafter referred to as Y -Axis), which points in a direction perpendicular to the first direction second direction (y-direction).
Wie
in den 1 und 2 gezeigt, umfasst die Mikrospiegelvorrichtung 10 ein
oberes Substrat 2 und ein unteres Substrat 3,
die zu einer Schicht-Sandwichstruktur mit einer dazwischenliegenden
Spiegelschicht 1 gestapelt sind. Das obere Substrat 2 ist über einen
Abstandshalter 4 auf die Spiegelschicht 1 gestapelt.
Die Mikrospiegelvorrichtung 10 umfasst demnach von ihrer
Lichteintrittsseite her betrachtet das obere Substrat 2,
den Abstandshalter 4, die Spiegelschicht 1 und
das untere Substrat 3. In der folgenden Beschreibung wird
der auf der Lichteintrittsseite liegende Teil der Mikrospiegelvorrichtung 10 als
oberer Teil und der andere Teil als unterer Teil bezeichnet.As in the 1 and 2 shown includes the micromirror device 10 an upper substrate 2 and a lower substrate 3 leading to a sandwich layer structure with an intermediate mirror layer 1 are stacked. The upper substrate 2 is about a spacer 4 on the mirror layer 1 stacked. The micromirror device 10 Accordingly, viewed from its light entry side, the upper substrate 2 , the spacer 4 , the mirror layer 1 and the lower substrate 3 , In the following description, the portion of the micromirror device located on the light entrance side becomes 10 referred to as the upper part and the other part as the lower part.
3 ist
eine vergrößerte Draufsicht,
die die Spiegelschicht 1 zeigt. Wie in den 2 und 3 gezeigt,
umfasst die Spiegelschicht 1 eine in ihrem zentralen Teil
angeordnete kreisförmige
Spiegelfläche 11,
einen ringförmigen
Rahmen 12, der den Umfang der Spiegelfläche 11 umgibt, sowie
einen äußeren Rahmen 13,
der den Rahmen 12 umgibt. Der Rahmen 12 hat ein
Paar erste Gelenkkonstruktionen 12X, die in x-Richtung
angeordnet sind, sowie ein Paar zweite Gelenkkonstruktionen 12Y,
die in y-Richtung angeordnet sind. 3 is an enlarged plan view showing the mirror layer 1 shows. As in the 2 and 3 shown includes the mirror layer 1 a circular mirror surface arranged in its central part 11 , an annular frame 12 that the extent of the mirror surface 11 surrounds, as well as an outer frame 13 that the frame 12 surrounds. The frame 12 has a pair of first joint designs 12X which are arranged in the x-direction, as well as a pair of second joint structures 12Y which are arranged in the y direction.
Jede
erste Gelenkkonstruktion 12X ist mit einem Ende mit der
Spiegelfläche 11 verbunden,
während
sie mit dem anderen Ende mit dem Rahmen 12 verbunden ist.
Die ersten Gelenkkonstruktionen 12X halten so die Spiegelfläche 11 drehbar
um die X-Achse, die in der x-Richtung liegt. Jede zweite Gelenkkonstruktion 12Y ist
mit einem Ende mit dem Rahmen 12 und mit dem anderen Ende
mit dem äußeren Rahmen 13 verbunden.
Die zweiten Gelenkkonstruktionen 12Y halten so den Rahmen 12 und
die Spiegelfläche 11 drehbar
um die in der y-Richtung liegende Y-Achse. In 3 sind
die X- und die Y-Achse durch gestrichelte Linien (wie auch in 2)
dargestellt. Der Schnittpunkt dieser beiden Achsen, d. h. der Mittelpunkt
der Spiegelfläche 11,
ist mit C1 bezeichnet.Every first joint construction 12X is with one end with the mirror surface 11 connected while with the other end with the frame 12 connected is. The first joint constructions 12X So hold the mirror surface 11 rotatable about the X-axis, which lies in the x-direction. Every second joint construction 12Y is with one end to the frame 12 and at the other end with the outer frame 13 connected. The second joint constructions 12Y So keep the frame 12 and the mirror surface 11 rotatable about the y-axis lying in the y-direction. In 3 the X and Y axes are indicated by dashed lines (as in 2 ). The intersection of these two axes, ie the center of the mirror surface 11 , is denoted by C1.
Im
Folgenden wird die erste Gelenkkonstruktion 12X im Detail
erläutert. 4 ist
eine vergrößerte Ansicht,
welche die erste Gelenkkonstruktion 12X zeigt, wobei die
X-Achse durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Wie in 4 gezeigt,
ist die erste Gelenkkonstruktion 12X dadurch ausgebildet,
dass ein langgestreckter (linearer) Körper in eine vorgeschriebene
geometrische Form gebogen ist. Dabei ist der langgestreckte Körper so
konfiguriert, dass seine Breite W [μm] (vgl. 6A) und
seine Dicke T [μm] die
folgenden Bedingungen (1) bzw. (2) erfüllen: 2 μm ≤ W ≤ 4 μm (1) 7 μm ≤ T ≤ 13 μm (2) The following is the first joint construction 12X explained in detail. 4 is an enlarged view showing the first hinge construction 12X shows, wherein the X-axis is shown by a dashed line. As in 4 shown is the first joint construction 12X formed by bending an elongated (linear) body into a prescribed geometric shape. In this case, the elongate body is configured such that its width W [μm] (cf. 6A ) and its thickness T [μm] satisfy the following conditions (1) and (2), respectively: 2 μm ≤ W ≤ 4 μm (1) 7 μm ≤ T ≤ 13 μm (2)
In
diesem Ausführungsbeispiel
ist die erste Gelenkkonstruktion 12X aus einem langgestreckten Körper gebildet,
der eine Breite W von 3 μm
und eine Dicke T von 10 μm
hat. Indem die erste Gelenkkonstruktion 12X aus einem langgestreckten
Körper
gebildet ist, der die Bedingungen (1) und (2) erfüllt, erzielt
sie eine hohe Federleistung.In this embodiment, the first hinge construction 12X formed of an elongated body having a width W of 3 microns and a thickness T of 10 microns. By the first joint construction 12X is formed of an elongated body that satisfies the conditions (1) and (2), it achieves a high spring performance.
Ein Überschreiten
der oberen Grenzen der Bedingungen (1) und (2) ist unerwünscht, da
beim Überschreiten
dieser Grenzen die Gelenkkonstruktion ein steifes Federverhalten
zeigt, wodurch der durch eine vorgegebene Spannung erzielte Kippwinkel
klein wird. Auch ein Unterschreiten der unteren Grenzen der Bedingungen
(1) und (2) ist unerwünscht,
da bei einem Unterschreiten dieser Grenzen zwar ein weiches Federverhalten
erzielt wird, jedoch die Festigkeit der Gelenkkonstruktion abnimmt, wodurch
die Konstruktion leicht beschädigt
wird oder bricht.A crossing
The upper limits of conditions (1) and (2) are undesirable because
when crossing
these limits the joint construction a stiff spring behavior
shows, whereby the tilt angle achieved by a predetermined voltage
gets small. Also falling below the lower limits of the conditions
(1) and (2) is undesirable
because when falling below these limits, although a soft spring behavior
achieved, however, the strength of the hinge construction decreases, thereby
the construction slightly damaged
will or breaks.
Die
unten beschriebene erste Gelenkkonstruktion 12X, die aus
einem einzigen langgestreckten Körper
besteht, ist zur einfacheren Erläuterung
in drei Teile unterteilt, nämlich
einen linearen zentralen Teil CL vorgeschriebener Länge und zwei
Erstreckungsteile E1 und E2, die an die beiden Enden des zentralen
Teils C anschließen
und eine vorgeschriebene geometrische Form bilden. In 4 ist
der Erstreckungsteil E1 in Form eines nicht ausgefüllten (umrissenen)
Linienmusters dargestellt, während
der Erstreckungsteil E2 in Form eines ausgefüllten (schwarzen) Linienmusters
dargestellt ist. Die in 4 gezeigte Farbgebung dieser
Muster dient lediglich der Erläuterung
der Erstreckungsteile E1 und E2. Die Farbgebung in 4 gibt
also nicht die tatsächliche
Konfiguration der ersten Gelenkkonstruktion 12X an.The first joint construction described below 12X , which consists of a single elongated body is divided into three parts for ease of explanation, namely a linear central part CL of prescribed length and two extension parts E1 and E2, which connect to the two ends of the central part C and form a prescribed geometric shape. In 4 the extension part E1 is shown in the form of an unfilled (outlined) line pattern, while the extension part E2 is shown in the form of a solid (black) line pattern. In the 4 shown coloring of these patterns is only the explanation of the extension parts E1 and E2. The coloring in 4 So does not give the actual configuration of the first joint construction 12X at.
Der
zentrale Teil CL ist längs
der X-Achse angeordnet, etwa mittig zwischen einer Fläche, die um
die X-Achse (Spiegelfläche 11)
gedreht wird, und einer Fläche,
die nicht um die X-Achse gedreht wird (Rahmen 12). Die
Länge L
[μm] des
zentralen Teils CL ist so bemessen, dass sie folgende Bedingung
(3) erfüllt: 20 μm ≤ L ≤ 40 μm (3) The central part CL is arranged along the X-axis, approximately in the middle between a surface which is about the X-axis (mirror surface 11 ) and a surface that is not rotated about the X axis (frame 12 ). The length L [μm] of the central part CL is dimensioned to satisfy the following condition (3): 20 μm ≤ L ≤ 40 μm (3)
In
der ersten Gelenkkonstruktion 12X gemäß Ausführungsbeispiel ist die Länge L des
zentralen Teils CL auf 30 μm
eingestellt. Indem der zentrale Teil CL geradlinig mit einer Länge ausgebildet
ist, welche die Bedingung (3) erfüllt, erzielt die erste Gelenkkonstruktion 12X einen
großen
Schwenk- oder Kippwinkel sowie hohe mechanische Festigkeit.In the first joint construction 12X According to the embodiment, the length L of the central part CL is set to 30 μm. By making the central part CL straight with a length satisfying the condition (3), the first hinge construction achieves 12X a large swing or tilt angle and high mechanical strength.
Ein Überschreiten
der oberen Grenze der Bedingung (3) ist unerwünscht, da bei einem Überschreiten
dieser Grenze zwar ein weiches Federverhalten erreicht wird, jedoch
die Gesamtabmessungen groß werden.
Auch ein Unterschreiten der unteren Grenze der Bedingung (3) ist
unerwünscht,
da die Gelenkkonstruktion in diesem Fall ein steifes Federverhalten
zeigt, wodurch der durch eine vorgeschriebene Spannung erreichte
Kippwinkel der Spiegelfläche
klein wird.A crossing
the upper limit of condition (3) is undesirable because if exceeded
This limit, although a soft spring behavior is achieved, however
the overall dimensions become large.
Also falling below the lower limit of condition (3)
undesirable,
because the joint construction in this case a stiff spring behavior
shows, which reached by a prescribed voltage
Tilt angle of the mirror surface
gets small.
Der
Erstreckungsteil E1 erstreckt sich von dem zentralen Teil CL zu
dem Rahmen 12 und ist dabei im Uhrzeigersinn sukzessive
so gebogen, dass er um den zentralen Teil CL herum läuft. Der
Erstreckungsteil E2 erstreckt sich von dem zentralen Teil CL zur
Spiegelfläche 11 und
ist dabei im Uhrzeigersinn sukzessive so umgebogen, dass er in der
gleichen Richtung wie der Erstreckungsteil E1 um den zentralen Teil
CL herum läuft.
Durch diese Gestaltung umfasst die erste Gelenkkonstruktion 12X eine
Vielzahl von zur Drehachse parallelen Abschnitten. Eine solche Konstruktion,
die eine Vielzahl von zur Drehachse parallelen Abschnitten umfasst,
weist ein höheres
Leistungsvermögen
als eine herkömmliche kontinuierlich
z-gefaltete Gelenkkonstruktion auf, die eine Vielzahl von zur Drehachse
senkrechten Abschnitten hat. Die Erstreckungsteile E1 und E2 sind dabei
so ausgebildet, dass der Abstand oder Raum S zwischen ihnen im Wesentlichen
konstant ist. Der Zwischenraum S [μm] ist so ausgebildet, dass
er folgende Bedingung (4) erfüllt: 4 μm ≤ S ≤ 8 μm (4) The extension part E1 extends from the central part CL to the frame 12 and is thereby successively bent clockwise so that it runs around the central part CL around. The extension part E2 extends from the central part CL to the mirror surface 11 and is successively bent in a clockwise direction so that it runs around the central part CL in the same direction as the extension part E1. This design includes the first hinge construction 12X a plurality of sections parallel to the axis of rotation. Such a construction, comprising a plurality of sections parallel to the axis of rotation, has a higher performance than a conventional continuous z-folded hinge construction having a plurality of sections perpendicular to the axis of rotation. The extension parts E1 and E2 are formed so that the distance or space S between them is substantially constant. The gap S [μm] is designed to satisfy the following condition (4): 4 μm ≤ S ≤ 8 μm (4)
In
der ersten Gelenkkonstruktion 12X gemäß Ausführungsbeispiel ist der Raum
S auf 6 μm
eingestellt. Indem die Erstreckungsteile E1 und E2 mit dem die Bedingung
(4) erfüllenden
Zwischenraum S ausgebildet sind, erzielt die erste Gelenkkonstruktion 12X eine
hohe Federleistung (Federvermögen).In the first joint construction 12X According to the embodiment, the space S is set to 6 μm. By forming the extension parts E1 and E2 with the clearance S satisfying the condition (4), the first hinge construction achieves 12X a high spring performance (spring capacity).
Ein Überschreiten
der oberen Grenze der Bedingung (4) ist unerwünscht, da in diesem Fall zwar
ein weiches Federverhalten erreicht wird, jedoch die Gesamtabmessungen
groß werden.
Auch ein Unterschreiten der unteren Grenze der Bedingung (4) ist
unerwünscht,
da in diesem Fall die Gelenkkonstruktion ein steifes Federverhalten
zeigt, wodurch der bei einer vorgeschriebenen Spannung erzielte
Kippwinkel der Spiegelfläche
klein wird.A crossing
the upper limit of condition (4) is undesirable because in this case, though
a soft spring behavior is achieved, but the overall dimensions
grow up.
Also falling below the lower limit of condition (4)
undesirable,
because in this case the joint construction a stiff spring behavior
shows what achieved at a prescribed voltage
Tilt angle of the mirror surface
gets small.
In
diesem Ausführungsbeispiel
sind die Erstreckungsteile E1, E2 jeweils sukzessive etwa rechtwinklig
umgebogen, so dass die oben genannte „vorgeschriebene geometrische
Form”,
die jeweils durch die Erstreckungsteile E1, E2 gebildet wird, in
diesem Fall ein Rechteck ist, wie 4 zeigt.In this embodiment, the extension parts E1, E2 are each successively bent approximately at right angles, so that the above-mentioned "prescribed geometric shape" formed respectively by the extension parts E1, E2 is a rectangle in this case 4 shows.
Die
distalen Enden der Erstreckungsteile E1 und E2, d. h. die beiden
Enden des die erste Gelenkkonstruktion 12X bildenden langgestreckten
Körpers, sind
mit der Fläche
(Rahmen 12), die sich nicht um die X-Achse dreht, bzw.
mit der Fläche
(Spiegelfläche 11),
die sich um die X-Achse dreht, verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel
ist ein distaler Endabschnitt des jeweiligen Erstreckungsteils E1,
E2 einmal so umgebogen, dass er längs der X-Achse verläuft und
dann an die jeweilige Fläche 12, 11 angeschlossen
ist, wobei sich, wie oben beschrieben, der jeweilige Erstreckungsteil
E1, E2 vom zentralen CL aus erstreckt und dabei, wie ebenfalls oben
beschrieben, sukzessive so umgebogen ist, dass er im Uhrzeigersinn
um den zentralen Teil CL herum läuft.The distal ends of the extension parts E1 and E2, ie the two ends of the first joint construction 12X forming elongated body, are with the surface (frame 12 ), which does not rotate about the X-axis, or with the surface (mirror surface 11 ) connected around the X-axis. In this embodiment, a distal end portion of the respective extension part E1, E2 is once bent so that it extends along the X-axis and then to the respective surface 12 . 11 is connected, wherein, as described above, the respective extension part E1, E2 extends from the central CL and thereby, as also described above, is successively bent so that it runs around the central part CL in a clockwise direction.
Die
zweite Gelenkkonstruktion 12Y ist mit Ausnahme einiger
Punkte im Wesentlichen wie die oben beschriebene erste Gelenkkonstruktion 12X ausgebildet.
Der Hauptunterschied gegenüber
der ersten Gelenkkonstruktion 12X liegt darin, dass ein zentraler
Teil CL der zweiten Gelenkkonstruktion 12Y längs der
Y-Achse angeordnet ist und die distalen Enden der Erstreckungsteile
E1 und E2 der zweiten Gelenkkonstruktion 12Y mit einer
Fläche
(Rahmen 12), die um die Y-Achse gedreht wird, bzw. mit
einer Fläche
(äußerer Rahmen 13),
die nicht um die Y-Achse gedreht
wird, verbunden sind.The second joint construction 12Y is essentially the same as the first hinge construction described above except for a few points 12X educated. The main difference compared to the first joint construction 12X lies in that a central part CL of the second hinge construction 12Y is arranged along the Y-axis and the distal ends of the extension parts E1 and E2 of the second hinge construction 12Y with a surface (frame 12 ), which is rotated about the Y-axis, or with a surface (outer frame 13 ), which is not rotated about the Y-axis.
In
einem dem unteren Substrat 3 zugewandten Randabschnitt
des äußeren Rahmens 13 ist
ein erhabener (konvexer) Teil ausgebildet, der um eine vorbestimmte
Strecke gegenüber
dem zentralen Teil der Spiegelschicht 1, in dem die Spiegelfläche 11 angeordnet
ist, nach unten absteht, wie in den 6A und 6B gezeigt
ist. Der erhabene Teil ist an dem äußeren Rahmen 13 ausgebildet,
um zwischen der Spiegelfläche 11 und
dem unteren Substrat 3 einen vorbestimmten Raum sicherzustellen,
der im Folgenden auch als unterer Raum bezeichnet wird.In a lower substrate 3 facing edge portion of the outer frame 13 is a raised (convex) part formed by a predetermined distance from the central part of the mirror layer 1 in which the mirror surface 11 is arranged, protrudes downwards, as in the 6A and 6B is shown. The raised part is on the outer frame 13 designed to be between the mirror surface 11 and the lower substrate 3 to ensure a predetermined space, which is also referred to below as the lower room.
Die
oben beschriebene Spiegelschicht 1 wird hergestellt, indem
ein SOI-Wafer (Silicium-auf-Isolator-Wafer) durch Trockenätzen, z.
B. reaktives Ionenätzen
(RIE) oder durch verschiedene Nassätztechniken bearbeitet wird.
Dabei besteht der SOI-Wafer aus drei Schichten, nämlich aus
einer aktiven Schicht oder Vorrich tungsschicht (Si), einer Kastenschicht
(SiO2) und einer Handhabungsschicht (Si).
Indem auf die Oberfläche
der, wie in 3 gezeigt, durch RIE bearbeiteten
aktiven Schicht eine Metallschicht (Al, Au etc.) oder mehrere dielektrische Schichten
aufgedampft werden, erhält
man die Spiegelschicht 1, welche die mit hohem Reflexionsvermögen versehene
Spiegelfläche 11 aufweist.The mirror layer described above 1 is made by adding an SOI (silicon-on-insulator) wafer by dry etching, e.g. As reactive ion etching (RIE) or by various wet etching techniques is processed. In this case, the SOI wafer consists of three layers, namely an active layer or Vorrich processing layer (Si), a box layer (SiO 2 ) and a handling layer (Si). By acting on the surface of, as in 3 As shown, by RIE processed active layer, a metal layer (Al, Au, etc.) or more dielectric layers are evaporated, the mirror layer is obtained 1 containing the high-reflectance mirror surface 11 having.
Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 5A bis 5C das
obere Substrat 2 beschrieben. 5A ist
eine Querschnittsansicht des in 2 gezeigten
oberen Substrats längs
der diagonalen Linie A-A. 5B ist
eine Unteransicht des oberen Substrats 2, von der Seite
der Spiegelschicht 11 her betrachtet. 5C ist
eine Draufsicht auf das obere Substrat 2, von der Lichteintrittsseite
her betrachtet.The following is with reference to the 5A to 5C the upper substrate 2 described. 5A is a cross-sectional view of the in 2 shown upper substrate along the diagonal line AA. 5B is a bottom view of the upper substrate 2 , from the side of the mirror layer 11 looked at. 5C is a plan view of the upper substrate 2 , viewed from the light entry side.
Das
obere Substrat 2 wird hergestellt, indem ein Glassubstrat 2a bearbeitet
wird, das ausreichend durchsichtig ist, um einen von außerhalb
kommenden Strahl auf die Spiegelfläche 11 fallen zu lassen. Wie
in den 5A und 5B gezeigt,
sind auf einer der Spiegelschicht 1 zugewandten ebenen
Fläche 2b des
oberen Substrats 2 vier Antriebselektroden T1 bis T4 ausgebildet.
Jede Antriebselektrode T1 bis T4 ist als durchsichtige Elektrode,
z. B. als Indium-Zinnoxid-Film (ITO-Film) ausgebildet, so dass sie den
Einfall des Strahls auf die Spiegelfläche 11 nicht verhindert.
Die Antriebselektroden T1 bis T4 sind in Form von Sektoren gleicher
Größe ausgebildet.
Die erste und die zweite Antriebselektrode T1 und T2 sind bezüglich einer
Grenzlinie, die durch den Mittelpunkt C2 des oberen Substrats 2 geht
und in y-Richtung verläuft
(erste Grenzlinie entsprechend der Y-Achse der Spiegelschicht 1),
symmetrisch zueinander angeordnet. Die dritte und die vierte Antriebselektrode
T3 und T4 sind bezüglich
einer Grenzlinie, die durch den Mittelpunkt C2 geht und in x-Richtung
verläuft
(zweite Grenzlinie entsprechend der X-Achse der Spiegelschicht 1),
symmetrisch zueinander angeordnet.The upper substrate 2 is made by adding a glass substrate 2a is processed, which is sufficiently transparent to a coming from outside beam on the mirror surface 11 to drop. As in the 5A and 5B are shown on one of the mirror layer 1 facing flat surface 2 B of the upper substrate 2 four drive electrodes T1 to T4 formed. Each drive electrode T1 to T4 is a transparent electrode, for. B. formed as indium tin oxide film (ITO film), so that they the incidence of the beam on the mirror surface 11 not prevented. The drive electrodes T1 to T4 are formed in the form of sectors of the same size. The first and second drive electrodes T1 and T2 are with respect to a boundary line passing through the center C2 of the upper substrate 2 goes and runs in the y-direction (first boundary line corresponding to the Y-axis of the mirror layer 1 ), arranged symmetrically to each other. The third and fourth driving electrodes T3 and T4 are related to a boundary line passing through the center C2 and extending in the x-direction (second boundary corresponding to the X-axis of the mirror layer 1 ), arranged symmetrically to each other.
Wie
in den 5A und 5C gezeigt,
sind auf einer Fläche 2c des
oberen Substrats 2, die von der der Spiegelschicht 1 zugewandten
Fläche 2b abgewandt
ist, eine erste bis vierte Verdrahtungs- oder Anschlusselektrode
t1 bis t4 ausgebildet, über die von
außerhalb
der Mikrospiegelvorrichtung 10 Spannung an die Antriebselektroden
T1 bis T4 angelegt werden kann.As in the 5A and 5C shown are on a plane 2c of the upper substrate 2 that of the mirror layer 1 facing surface 2 B A first to fourth wiring or terminal electrode t1 to t4 formed on the outside of the micromirror device 10 Voltage can be applied to the drive electrodes T1 to T4.
Das
Glassubstrat 2a ist ferner mit Leiterteilen 2d versehen,
welche die Anschlusselektroden t1 bis t4 mit den Antriebselektroden
T1 bis T4 elektrisch verbinden. Dabei ist jedes Leiterteil 2d in
der Weise ausgebildet, dass in dem Glassubstrat 2a beispielsweise
durch Sandstrahlen ein Durchgangsloch erzeugt und dieses Durchgangsloch
mit leitendem Material gefüllt
wird. Das Ausbilden der Leiterteile 2d durch Sandstrahlen
ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Es können auch andere Techniken
angewandt werden, nach denen die Leiterteile 2d, d. h.
die Durchgangslöcher,
ausgebildet werden. In der oben beschriebenen Ausführungsform
wird also von außerhalb
der Mikrospiegelvorrichtung 10 die Spannung über die
Leiterteile 2d an die Antriebselektroden T1 bis T4 angelegt.The glass substrate 2a is also with ladder parts 2d which electrically connect the terminal electrodes t1 to t4 with the driving electrodes T1 to T4. Here is every ladder part 2d formed in the manner that in the glass substrate 2a For example, by sandblasting generates a through hole and this through hole is filled with conductive material. The formation of the ladder parts 2d By sandblasting is meant to be exemplary only. Other techniques may be used, according to which the ladder parts 2d , ie the through-holes, are formed. In the embodiment described above, therefore, from outside the micromirror device 10 the tension over the ladder parts 2d applied to the drive electrodes T1 to T4.
Das
untere Substrat 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel so wie das oben
beschriebene obere Substrat 2 ausgebildet. Die gleiche
Substratkonfiguration für
das obere und das untere Substrat 2, 3 führt zu einer
Kostenverringerung und zu einer Steigerung der Montageeffizienz.
Außerdem
befinden sich unter den Elektroden, die einander über die
Spiegelschicht 1, d. h. die Spiegelfläche 11, zugewandt
sind, diejenigen, die diagonal bezüglich der X-Achse oder der Y-Achse
angeordnet sind, in symmetrischer Beziehung zueinander bezüglich des
Mittelpunkts C1 der Spiegelfläche 11.
So tritt unabhängig
davon, an welche Elektrode eine vorbestimmte Spannung angelegt wird,
im Wesentlichen die gleiche elektrostatische Kraft auf.The lower substrate 3 is in this embodiment as the upper substrate described above 2 educated. The same substrate configuration for the top and bottom substrates 2 . 3 leads to reduce costs and increase assembly efficiency. Also, under the electrodes, which are above each other through the mirror layer 1 ie the mirror surface 11 , which are arranged diagonally with respect to the X-axis or the Y-axis, in symmetrical relation to each other with respect to the center point C1 of the mirror surface 11 , Thus, regardless of which electrode a predetermined voltage is applied to, substantially the same electrostatic force occurs.
Der
Abstandshalter 4 dient dazu, einen vorgeschriebenen freien
Raum zwischen dem oberen Substrat 2 und der Spiegelschicht 1 sicherzustellen, im
Folgenden als ”oberer
Raum” bezeichnet.
Der Abstandshalter 4 besteht aus Silizium und hat im Wesentlichen
die gleiche Höhe
wie der oben genannte erhabene Teil 14 der Spiegelschicht 1.
Dies bedeutet, dass in der Mikrospiegelvorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel
der durch den Abstandshalter 4 bereitgestellte obere Raum
im Wesentlichen die gleiche Höhe
wie der durch den erhabenen Teil 14 bereitge stellte untere
Raum hat. So ist die auf die Spiegelfläche 11 wirkende elektrostatische
Kraft unabhängig davon,
an welche der Elektroden gerade Spannung angelegt wird, im Wesentlichen
gleich, und das Anlegen einer Vorspannung verursacht keine Auslenkung oder
Verschiebung der Spiegelfläche 11.The spacer 4 serves a prescribed free space between the upper substrate 2 and the mirror layer 1 ensure, hereinafter referred to as "upper room". The spacer 4 is made of silicon and has substantially the same height as the above-mentioned raised part 14 the mirror layer 1 , This means that in the micromirror device 10 according to the embodiment of the spacer 4 provided upper space substantially the same height as that through the raised part 14 bereitge has placed lower space. So that's on the mirror surface 11 regardless of which voltage is being applied to the electrodes, the application of a bias voltage causes no deflection or displacement of the mirror surface 11 ,
Beim
Stapeln der Bestandteile 1 bis 4 können verschiedenartige
Verbindungstechniken zum Einsatz kommen. In diesem Ausführungsbeispiel sind
die Bestandteile 1 bis 4 durch Anodenverbindung
miteinander gekoppelt. Da der Abstandshalter 4 und die
Spiegelschicht 1, die beide aus Silizium bestehen, nicht
direkt durch Anodenverbindung miteinander gekoppelt werden können, ist
zwischen dem Abstandshalter 4 und der Spiegelschicht 1 eine
dünne Glasschicht
angeordnet, so dass die beiden in Rede stehenden Schichten über die
Glasschicht durch Anodenverbindung miteinander gekoppelt sind. Dabei
wirkt sich der durch die Glasschicht verursachte Fehler in der Höhe des oberen
Raums praktisch nicht aus, da die Glasschicht bei weitem dünner als
jeder der Bestandteile 1 bis 4 ist.When stacking the ingredients 1 to 4 Various types of bonding techniques can be used. In this embodiment, the components 1 to 4 coupled together by anode connection. Because of the spacer 4 and the mirror layer 1 Both of which are silicon, can not be directly coupled together by anode connection, is between the spacer 4 and the mirror layer 1 arranged a thin glass layer, so that the two layers in question are coupled to each other via the glass layer by anode connection. In this case, the error caused by the glass layer in the height of the upper space practically does not work, since the glass layer by far thinner than any of the components 1 to 4 is.
Werden
die Bestandteile 1 bis 4 im letzten Prozessschritt
zur Fertigung der Mikrospiegelvorrichtung 10 vakuumverpackt,
so ist die Verwendung eines Abstandshalters 4 aus Pyrex-Glas
wünschenswert.
Teile, die nicht durch Anodenverbindung miteinander gekoppelt werden
können,
können
auch mittels Polyimid-Klebstoffen miteinander verbunden werden.Be the ingredients 1 to 4 in the last process step for manufacturing the micromirror device 10 Vacuum packed, so is the use of a spacer 4 Pyrex glass desirable. Parts that can not be coupled together by anode bonding can also be bonded together using polyimide adhesives.
Das
Funktionsprinzip der oben beschriebenen Mikrospiegelvorrichtung 10 wird
im Folgenden an Hand der 6A und 6B beschrieben.
Dabei zeigt 6A den Zustand der Mikrospiegelvorrichtung 10 vor
Anlegen einer Spannung an die Antriebselektroden T1 bis T4, während 6B den
Zustand der Mikrospiegelvorrichtung zeigt, in dem eine vorgeschriebene
Spannung an die Antriebselektroden T1 bis T4 angelegt ist. Um die
Antriebselektroden T1 bis T4, die an dem oberen Substrat 2 und
dem unteren Substrat 3 vorgesehen sind, voneinander zu
unterscheiden, werden in den 6A und 6B die
Antriebselektroden des oberen Substrats als obere Antriebselektroden
T1u bis T4u und diejenigen des unteren Substrats 3 als
untere Antriebselektroden T1d bis T4d bezeichnet.The operating principle of the micromirror device described above 10 will be described below on the basis of 6A and 6B described. It shows 6A the state of the micromirror device 10 before applying a voltage to the drive electrodes T1 to T4, during 6B shows the state of the micromirror device in which a prescribed voltage is applied to the driving electrodes T1 to T4. To the drive electrodes T1 to T4, which on the upper substrate 2 and the lower substrate 3 are intended to be distinguished from each other, are in the 6A and 6B the drive electrodes of the upper substrate as upper drive electrodes T1u to T4u and those of the lower substrate 3 referred to as lower drive electrodes T1d to T4d.
Um
die Spiegelfläche 11 um
die Y-Achse zu drehen, wird eine vorgeschriebene Spannung (+V) an
die untere Antriebelektrode T1d und die obere Antriebselektrode
T2u angelegt, wie in 6A gezeigt ist. Durch Anlegen
dieser Spannung wird zwischen der Spiegelfläche 11 und jeder Antriebselektrode T1d,
T2u eine elektrostatische Kraft (Anziehungskraft) hervorgerufen,
die in 6A durch die ausgefüllten Pfeile
dargestellt ist und durch die sich die Spiegelfläche 11 und der Rahmen 12 um
die Y-Achse drehen, die durch die beiden zweiten Gelenkkonstruktionen 12Y (vergl. 2)
gegeben ist, wie in 6B gezeigt ist. Um die Spiegelfläche 11 in
eine Richtung, die der in 6B gezeigten
Richtung entgegengesetzt ist, um die Y-Achse zu drehen, wird die vorgeschriebene
Spannung (+V) an die untere Antriebselektrode T2d und die obere
Antriebselektrode T1u angelegt.To the mirror surface 11 To rotate about the Y-axis, a prescribed voltage (+ V) is applied to the lower drive electrode T1d and the upper drive electrode T2u, as in FIG 6A is shown. By applying this voltage is between the mirror surface 11 and each drive electrode T1d, T2u causes an electrostatic force (attraction force), which in 6A is represented by the solid arrows and through which the mirror surface 11 and the frame 12 rotate around the Y axis, passing through the two second articulated structures 12Y (Comp. 2 ), as in 6B is shown. To the mirror surface 11 in a direction that the in 6B in the direction shown to rotate the Y-axis, the prescribed voltage (+ V) is applied to the lower drive electrode T2d and the upper drive electrode T1u.
Wie
oben beschrieben, dreht die Mikrospiegelvorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel
die Spiegelfläche 11 (den
Rahmen 12) um die Y-Achse, indem sie gleichzeitig die gleiche
Spannung an das Paar Antriebselektroden T1d, T2u oder an das Paar Antriebselektroden
T2d, T1u anlegt, die diagonal bezüglich der Y-Achse angeordnet
sind. Die durch das Anlegen der Spannung auf die Spiegelfläche 11 wirkende
elektrostatische Kraft stellt im Wesentlichen ein reines Biege-
oder Drehmoment dar, wie durch die ausgefüllten Pfeile in 6B angedeutet
ist. Die im Zusammenhang mit der Spiegeldrehung auf die zweiten
Gelenkkonstruktionen 12Y und die Spiegelfläche 11 wirkende
Last kann so verglichen mit einer herkömmlichen Mikrospiegelvorrichtung
verringert werden.As described above, the micromirror device rotates 10 according to the embodiment, the mirror surface 11 (the frame 12 ) around the Y-axis by simultaneously applying the same voltage to the pair of drive electrodes T1d, T2u or to the pair of drive electrodes T2d, T1u arranged diagonally with respect to the Y-axis. By applying the voltage to the mirror surface 11 acting electrostatic force is essentially a pure bending or torque, as shown by the solid arrows in 6B is indicated. That in connection with the mirror rotation on the second joint constructions 12Y and the mirror surface 11 acting load can thus be reduced as compared with a conventional micromirror device.
Da
ferner sowohl das obere Substrat 2 als auch das untere
Substrat 3 mit Antriebselektroden versehen sind, wird eine
große
Elektrodenfläche
für die
Spiegeldrehung bereitgestellt. Ferner stellen der Abstandshalter 4 und
der erhabene Teil 14 der Spiegelschicht 1 ausreichend
Räume,
nämlich
den oberen Raum und den unteren Raum, zur Verfügung. Mit der Mikrospiegelvorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel
kann deshalb ein großer
Kippwinkel erreicht werden, selbst wenn die an jede Elektrode angelegte Spannung
vergleichsweise gering ist.Further, because both the upper substrate 2 as well as the lower substrate 3 are provided with drive electrodes, a large electrode surface is provided for the mirror rotation. Further, make the spacer 4 and the sublime part 14 the mirror layer 1 sufficient space, namely the upper room and the lower room, available. With the micromirror device 10 Therefore, according to the embodiment, a large tilt angle can be achieved even if the voltage applied to each electrode is comparatively small.
Vorstehend
wurde die Funktionsweise der Mikrospiegelvorrichtung 10 beschrieben.
Dabei wurde lediglich die Drehung der Spiegelfläche 11 um die Y-Achse
beschrieben. Die Drehung der Spiegelfläche 11 um die X-Achse
erfolgt im Wesentlichen nach dem gleichen Prinzip, abgesehen von
folgenden Punkten. Bei der Drehung um die X-Achse wird die Spannung an
ein Paar Antriebselektroden (obere Antriebselektrode T3u und untere
Antriebselektrode T4d oder obere Antriebselektrode T4u und untere
Antriebselektrode T3d) angelegt, die diagonal bezüglich der
X-Achse angeordnet sind. Da die ersten Gelenkkonstruktionen 12X als
Drehachse dienen, dreht sich in diesem Fall der Rahmen 12 nicht.The above has been the operation of the micromirror device 10 described. It was only the rotation of the mirror surface 11 described about the Y-axis. The rotation of the mirror surface 11 The X-axis is essentially the same as the principle except for the following points. In the rotation about the X axis, the voltage is applied to a pair of driving electrodes (upper driving electrode T3u and lower driving electrode T4d or upper driving electrode T4u and lower driving electrode T3d) arranged diagonally with respect to the X axis. Because the first joint designs 12X serve as a rotation axis, rotates in this case, the frame 12 Not.
Im
Folgenden wird die Funktionsweise der Mikrospiegelvorrichtung 10,
die mit den Gelenkkonstruktionen 12X und 12Y gemäß Ausführungsbeispiel
arbeitet, mit einer Mikrospiegelvorrichtung (Vergleichsbeispiel)
verglichen, die mit kontinuierlich z-gefalteten Gelenkkonstruktionen arbeitet,
die jeweils so ausgebildet sind, dass ein langgestreckter Körper, der
die oben angegebenen Bedingungen (1) und (2) erfüllt, abwechselnd in Richtungen
senkrecht zur Achse gefaltet wird. In diesem Vergleich wurden die
in den Figuren angegebenen, das jeweilige Betriebsverhalten zeigenden
Graphen nach der Methode der finiten Elemente berechnet. 7 ist
ein Graph, der den Unterschied im Betriebsverhalten zwischen der
Mikrospiegelvorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel und der Mikrospiegelvorrichtung
gemäß Vergleichsbeispiel
zeigt, wobei die Abmessungen der jeweiligen Gelenkkonstruktionen
indem Vergleichsbeispiel im Wesentlichen gleich denen der Gelenkkonstruktionen 12X, 12Y der
Mikrospiegelvorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel angenommen werden.
In dem Graph nach 7 gibt die horizontale Achse
die an die jeweilige Mikrospiegelvorrichtung angelegte Spannung
und die vertikale Achse den Kippwinkel der Spiegelfläche an.
Das Betriebsverhalten (Kippwinkel) der Mikrospiegelvorrichtung 10 ist
mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, während das des Vergleichsbeispiels
mit einer gestrichelten Linie angegeben ist (Gleiches gilt für die später erläuterte 8).The following is the operation of the micromirror device 10 involved with the joint structures 12X and 12Y according to the embodiment, compared with a micromirror device (comparative example) operating with continuously z-folded joint structures each formed so that an elongated body satisfying the above-mentioned conditions (1) and (2) alternately in directions perpendicular is folded to the axis. In this comparison, the graphs indicated in the figures and showing the respective operating behavior were calculated according to the finite element method. 7 is a graph showing the difference in performance between the micromirror device 10 according to the exemplary embodiment and the micromirror device according to the comparative example, wherein the dimensions of the respective joint constructions in the comparative example are essentially the same as those of the joint constructions 12X . 12Y the micromirror device 10 be accepted according to embodiment. In the graph after 7 the horizontal axis indicates the voltage applied to the respective micromirror device and the vertical axis indicates the tilt angle of the mirror surface. The operating behavior (tilt angle) of the micromirror device 10 is shown by a solid line while that of the comparative example is indicated by a broken line (the same applies to those explained later 8th ).
Wie
aus 7 hervorgeht, erreicht bei gleichen Abmessungen
der Gelenkkonstruktionen die Mikrospiegelvorrichtung 10 mit
ihren Gelenkkonstruktionen 12X und 12Y einen größeren Kippwinkel bei
geringerer Spannung als das Vergleichsbeispiel.How out 7 shows achieved with the same dimensions of the joint structures, the micromirror device 10 with their joint constructions 12X and 12Y a larger tilt angle at a lower voltage than the comparative example.
Bekanntlich
kann die Federleistung einer kontinuierlich z-gefalteten Gelenkkonstruktion,
wie sie in dem Vergleichsbeispiel verwendet wird, durch Vergrößern der
Gelenkkonstruktion in Richtung senkrecht zur Drehachse erhöht werden.
Deshalb wurde untersucht, wie groß die Gelenkkonstruktion in
dem Vergleichsbeispiel sein muss, um etwa die gleiche Leistung wie
die Mikrospiegelvorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel zu erzielen.
Wie in 8 gezeigt, muss in dem Vergleichsbeispiel die
Gelenkkonstruktion etwa die vierfache Abmessung der in dem Ausführungsbeispiel
verwendeten Gelenkkonstruktion 12X oder 12Y in
Richtung senkrecht zur Drehachse und damit etwa die vierfache Fläche der
Gelenkkonstruktion 12X oder 12Y haben, um etwa
die gleiche Leistung wie die Mikrospiegelvorrichtung 10 gemäß Ausführungsbeispiel
zu erzielen.As is known, the spring performance of a continuously z-folded hinge construction as used in the comparative example can be increased by increasing the hinge construction in the direction perpendicular to the axis of rotation. Therefore, it was investigated how large the hinge construction in the comparative example must be to have about the same performance as the micromirror device 10 to achieve according to the embodiment. As in 8th As shown in the comparative example, the hinge structure must be about four times the dimension of the hinge construction used in the embodiment 12X or 12Y in the direction perpendicular to the axis of rotation and thus about four times the area of the hinge construction 12X or 12Y have about the same power as the micromirror device 10 to achieve according to the embodiment.
Die
oben beschriebene Untersuchung zeigt, dass die in diesem Ausführungsbeispiel
verwendete Gelenkkonstruktion 12X, 12Y im Vergleich
zu herkömmlichen
Gelenkkonstruktionen eine höhere
Leistung erzielt und dabei klein bemessen ist. In diesem Ausführungsbeispiel
kann eine Verringerung der von den Gelenkkonstruktionen eingenommenen
Fläche im
Verhältnis
zur gesamten Spiegelschicht erreicht werden. So beträgt in diesem
Ausführungsbeispiel der
prozentuale Anteil der Fläche
der vier Gelenkkonstruktionen in der gesamten Spiegelschicht 1 etwa 12%,
während
in dem Vergleichsbeispiel dieser Anteil etwa 36% beträgt. In dem
Vergleichsbeispiel kann es deshalb zu einer Herabsetzung der Festigkeit
der Gesamtspiegelschicht kommen, während die in diesem Ausführungsbeispiel
verwendeten Gelenkkonstruktionen für eine ausreichende Festigkeit
der gesamten Spiegelschicht 1 sorgen sowie die Lebensdauer
der gesamten Mikrospiegelvorrichtung 10 verlängern.The examination described above shows that the hinge construction used in this embodiment 12X . 12Y achieves higher performance and small dimensions compared to conventional articulated constructions. In this embodiment, a reduction in the area occupied by the hinge structures relative to the entire mirror layer can be achieved. Thus, in this embodiment, the percentage of the area of the four hinge structures in the entire mirror layer 1 about 12%, while in the comparative example this proportion is about 36%. Therefore, in the comparative example, the strength of the total mirror layer may be lowered, while the hinge structures used in this embodiment provide sufficient strength of the entire mirror layer 1 ensure the life of the entire micromirror device 10 extend.
Die
Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt.
So können
verschiedene Abwandlungen an dem Ausführungsbeispiel vorgenommen
werden, zum Beispiel folgende Abwandlungen, mit denen ähnliche technische
Effekte wie in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel erreicht werden.The
Invention is not on the embodiment described above
limited.
So can
made various modifications to the embodiment
For example, the following modifications, similar technical
Effects can be achieved as in the described embodiment.
In
der jeweiligen Gelenkkonstruktion 12X, 12Y des
oben beschriebenen Ausführungsbeispiels sind
die beiden Erstreckungsteile E1 und E2 im Uhrzeigersinn sukzessive
so umgebogen, dass sie rechteckige Gelenkkonstruktionen bilden.
Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Beispielsweise kann eine
erfindungsgemäße Gelenkkonstruktion 12X, 12Y ausgebildet
werden, indem die beiden Erstreckungsteile E1 und E2 in der gleichen
Richtung sukzessive so gebogen werden, dass sie den zentralen Teil
CL umgeben. Die Biegerichtung kann durch den Uhrzeigersinn oder
den Gegenuhrzeigersinn gegeben sein. Der Biegewinkel des jeweiligen
Erstreckungsteils ist nicht auf einen rechten Winkel beschränkt, sofern
der Raum zwischen den beiden Erstreckungsteilen E1 und E2 über die
gesamte Gelenkkonstruktion konstant ist. Auch muss der jeweilige
Erstreckungsteil E1, E2 nicht in der beschriebenen Art geknickt
sein, sondern kann auch in eine um den zentralen Teil CL umlaufende
Spiralform gebogen sein, wie dies in der in 9 gezeigten
Gelenkkonstruktion 12X' (12Y') der Fall ist.
Indem die Erstreckungsteile jeweils in eine Spiralform gebracht
werden, erhält
man eine kreisförmige
Gelenkkonstruktion.In the respective joint construction 12X . 12Y of the embodiment described above, the two extension parts E1 and E2 are successively bent clockwise so that they form rectangular joint structures. However, the invention is not limited thereto. For example, a joint construction according to the invention 12X . 12Y are formed by successively bending the two extension parts E1 and E2 in the same direction so as to surround the central part CL. The bending direction can be given by clockwise or counterclockwise. The bending angle of the respective extension part is not limited to a right angle, as long as the space between the two extension parts E1 and E2 is constant over the entire joint structure. Also, the respective extension part E1, E2 need not be bent in the manner described, but may also be bent into a spiral shape running around the central part CL, as shown in FIG 9 shown joint construction 12X ' ( 12Y ' ) the case is. By the extension parts are each brought into a spiral shape, we obtain a circular joint construction.
In
dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist der distale Endabschnitt des jeweiligen Erstreckungsteils E1,
E2 einmal so umgebogen, dass er längs der Drehachse verläuft und
dann mit der jeweiligen Fläche 12, 11 verbunden
ist. Das auf das Drehen der Spiegelfläche bezogene Drehmoment stammt
deshalb aus einer in dem distalen Endabschnitt des jeweiligen Erstreckungsteils
vorhandenen „Verdrehung”. Eine
erfindungsgemäße Gelenkkonstruktion
kann jedoch auch so ausgebildet sein, dass das Drehmoment aus einer
in dem distalen Endabschnitt des jeweiligen Erstreckungsteils vorhandenen „Biegung” stammt,
wie dies in der in 10 gezeigten Abwandlung der
Fall ist.In the embodiment described above, the distal end portion of the respective extension part E1, E2 is once bent so that it extends along the axis of rotation and then with the respective surface 12 . 11 connected is. Therefore, the torque related to the rotation of the mirror surface comes from a "twist" existing in the distal end portion of the respective extension part. However, a joint construction according to the invention may also be designed such that the torque originates from a "bend" present in the distal end section of the respective extension part, as shown in FIG 10 the modification shown is the case.
In
dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist die Gelenkkonstruktion für
eine Mikrospiegelvorrichtung des Kapazitätstyps bestimmt. Die erfindungsgemäße Gelenkkonstruktion
ist jedoch auch auf andere Typen von Mikrospiegelvorrichtungen anwendbar,
zum Beispiel solche, die mit elektromagnetischer Kraft, piezoelektrischen
Elementen etc. angetrieben werden.In
the embodiment described above
is the joint construction for
a capacitance-type micromirror device is determined. The joint construction according to the invention
However, it is also applicable to other types of micromirror devices.
for example, those with electromagnetic force, piezoelectric
Elements etc. are driven.
